解析寒冷地区生活污水处理

目前,活性污泥法是大多数城市污水处理厂所普遍使用的技术, 在常温下处理效果较好。然而在我国北方地区和西部高寒地区,污水处理效果受到环境温度的影响较大 ,随着水温的降低,活性污泥的活性逐渐下降、沉淀性变差,有机物去除、硝化和反硝化作用受到极大冲击。当温度低于15 ℃ 时,常温微生物的活性将急剧下降,硝化效果明显降低;在10 ℃ 左右,部分微生物处于休眠状态;当温度在4 ℃ 范围内,大部分微生物进入休眠期甚至死亡,污水处理系统的硝化作用几乎停止。此外低温也为小胸虫提供了适宜的生长条件,其过度生长将导致污泥膨胀,进而影响出水水质。

　　因此,寒冷地区的污水厂运行不得不采取加热、保温、增大污泥回流量、增长污水停留时间等措施来提高出水水质,但增大污泥回流量和增长污水停留时间又会降低污水水温,尤其是污水停留时间的增长,会导致污水水温随时间线性下降。而加热和保温措施又会增加工程的投资和运行费用,还可能带来污泥膨胀等一系列问题。

　　对此,国内外研究表明通过人工筛选、培育和驯化耐低温优势菌株可作为解决上述问题的**途径,耐冷菌是一类可以在最低温度为- 5 ~ 0 ℃ 及最高温度高于20 ℃ 的条件下生长繁殖的微生物,该温度范围能较好的适应高寒地区的气候特征 ,例如,国内的一项研究筛选出了耐低温的酵母菌就可在低温下有效去除COD。然而,国内针对低温微生物的研究开发较少 ,国外对低温微生物处理污水技术的研究起步较早,主要通过筛选低温微生物去除污水中的油烃类、氯酚类、表面活性剂、氮和磷等达到净化水质的目的 。

　　生物强化技术在污水处理中的应用为解决低温污水难处理的问题提供了最直接有效的解决方案,生物强化处理工艺是指向生化处理系统中投加高效菌种或载体,以提高系统中的微生物活性或浓度、强化生化处理效果的一种有效手段。冬季向系统投加在筛选驯化的耐冷菌或经固定化处理的耐冷菌等,通过高效菌种的直接作用或共代谢作用可实现对低温污水的强化处理。投菌活性污泥法是近十几年国外发展起来的一种生物强化技术 ,它不仅增加了曝气池内缺少的细菌,在流入污水水质不变的条件下增加微生物的氧化作用,且当污水水质改变、环境变异时,微生物仍能保持活性,提高耐冲击负荷和处理效果,改善出水水质。投菌活性污泥法结合固定化细胞技术克服了投菌导致的菌体流失,避免了投加技术的缺点。此外,活性污泥和生物膜复合工艺作为一种新型的污水处理工艺,在提高现有污水处理系统的效能、改善污泥沉降性能、降低污泥产率、增强运行稳定性和节约占地等方面具有显著的优势。近年来也有研究表明,适当的静磁场在低温下可以增强活性污泥的活性,强化活性污泥的耐寒性,这将为我们改善污水处理提供新的思路。

　　本实验旨在利用生物强化技术解决我国北方或高寒地区冬季城市生活污水处理困难的问题,通过培育、筛选和驯化出能高效处理低温污水的耐冷微生物菌群,进而增强活性污泥的耐低温性能,提高污水处理效果,改善出水水质,使出水水质达到城镇污水排放一级A 类标准。在实际应用中,再结合投菌活性污泥法、固定化细胞技术和生物膜复合工艺等,将会进一步强化活性污泥的去污能力,巩固污水的处理效果。

　　1　材料与方法

　　1. 1　材料来源

　　2014 年11 月上旬,从四川省阿坝州马尔康市的市政下水道、河流湖泊中采样,当时的采样温度为5 ℃左右。随后,将采集来的污泥用于耐冷微生物的筛选与驯化,微生物生长的培养基采用LB 培养基,后期培养活性污泥的污泥来源是成都市龙泉驿区的平安污水处理厂。实验用的人工污水配方如表1 和表2所示。

表1　人工污水1 配方

表2　人工污水2 配方

　　1. 2　实验主要设备及装置

　　主要设备:无菌操作台、生化培养箱、显微镜、全恒温振荡培养箱、紫外可见分光光度计、回流装置和氨氮蒸馏装置等。

　　耐冷活性污泥污水处理能力评价自制小试装置如图1 所示,包括1 个空气泵,3 个蠕动泵,体积均为4 L 的废水池(装人工污水)、反应池(装活性污泥并进行曝气) 和沉淀池(装处理后的污水并可回流污泥)各1 个。

　　1. 3　实验方法

　　1. 3. 1　耐冷菌的富集培养与分离

　　将采集的泥样用LB 培养基于15 ℃ 摇床150 r·min - 1 富集培养7 d,再用平板稀释法和平板划线法进行菌种分离纯化,将多次纯化后的单菌株移入斜面备用。

　　1. 3. 2　耐冷菌的筛选

　　将各菌株分别于5 ℃ 条件下活化培养至对数生长期,菌悬液4 000 r·min - 1 离心10 min,弃掉上清液,将沉淀物用磷酸缓冲溶液清洗,再用无菌蒸馏水稀释至原来OD 值,以10% 的接种量接种于250 mL 人工污水2 中,并置于摇床中5 ℃ 培养12 h,每隔12 h 取样以4 000 r·min - 1 离心,取上清液,测定COD 值和氨氮值,然后计算两者的去除率,挑选COD 去除率较高和氨氮去除率较高的菌株。

　　1. 3. 3　混合耐冷菌低温驯化及污水处理能力测定

　　由实验确定各单菌株的**混合比例,然后将**混合比的混合菌低温培养,逐渐加入灭菌的人工污水1( 每3 d 一次) 直至培养液全部替换为人工污水。然后将其与采集来的适量活性污泥混合注入到小型污水处理装置的反应池中,加入人工污水1 至污泥质量浓度为2 000 mg·L - 1 左右,人工污水1 的碳源极易被微生物利用,使微生物迅速增殖。在废水池中加入人工污水2,人工污水2 的用途是模拟城市生活污水。设定系统初始温度为15 ℃ ,流量0. 15 L·h - 1 ,控制曝气量使OD 值保持在2. 5 ~ 3. 0 之间。每天将沉淀池中的污泥100% 回流到反应池,直到出水COD 值稳定之后沉淀池污泥50% 回流。

　　活性污泥的降温驯化过程分为3 个阶段,驯化温度先后从15 ℃ 降到10 ℃ ,再从10 ℃ 降到5 ℃ ,每一阶段都定时测定活性污泥的污水处理效果。第1 阶段从活性污泥的培养开始,当反应池中出现原生动物且曝气呈茶褐色时开始计时,此时的实验条件为流量0. 30 L·h - 1 ,温度15 ℃ ,并始终维持反应池污水体积为4 L,污泥的质量浓度大约在2 500 ~ 4 000 mg·L - 1 之间;第2 和第3 阶段仅改变温度条件对活性污泥进行降温驯化。每天定时测定进出污水的COD 和氨氮值,直到出水COD 和氨氮达到稳定状态为止。在第3 阶段测定5 ℃ 条件下耐冷菌污水处理效果的同时,以成都市龙泉驿区的平安污水处理厂非耐冷菌为对照在同样条件下进行实验,比较两者在低温下的污水处理能力是否有显著差异。

　　1. 4　测定与分析方法

　　COD 的测定采用重铬酸钾法,氨氮的测定采用蒸馏-中和滴定法 ,实验数据采用SPSS 23. 0 和origin 8. 5 进行分析作图。

　　2　结果与分析

　　2. 1　单株耐冷菌的筛选结果

　　将分离出的14 种单菌株通过测定其5 ℃ 条件下的COD 和氨氮去除率来筛选目标菌株,表3 为处理5d 后的COD 和氨氮测定结果,综合各菌株的COD 和氨氮的去除率可筛选出6 种优势菌株,即3 号、6 号、7号、9 号、10 号和12 号菌株。

表3　耐冷菌株的筛选

　　2. 2　耐冷菌混合比例的确定

　　将筛选出来的6 种优势菌株按照表4 所列的6 种比例混合,测定其5 ℃ 条件下的COD 和氨氮去除率,表中列出了5 d 后各混合菌处理人工污水的COD 和氨氮去除率。实验结果显示混合比例3 和混合比例5 可同时保证COD 和氨氮的去除率都相对较高,本实验最终依据混合比例3 进行菌株混合,然后将混合菌转入人工污水培养以便后续实验。

表4　耐冷菌的混合比例

　　2. 3　低温驯化过程中耐冷菌污水处理能力的比较

　　混合耐冷菌群低温驯化过程中,3 个阶段的污水处理效果对比如图2 和表5 所示,通过对这3 个阶段的比较,可以看出温度变化对活性污泥处理污水的能力有着显著的影响。

表5　各阶段达到稳定后的实验结果平均值

　　从图2 中曲线的变化来看,每个阶段的出水COD 和氨氮值均随着运行时间的延长而逐渐减小,直至最后达到稳定状态,同时两者的去除率则相应增大并达到稳定。第1 阶段是活性污泥形成阶段,该阶段前4 d,COD 和氨氮的去除率都不高,尤其是氨氮的去除率呈负值。这是由于在第1 阶段开始时活性污泥没有完全形成,微生物量还不够多,硝化和亚硝化作用较弱 ,使得人工污水2 中的大量牛肉膏和蛋白胨被分解成氨氮且未被及时降解去除,从而增加了出水氨氮含量,造成第1 阶段前4 d 的氨氮去除率为负,但在第4 天以后,亚硝化和硝化作用增强,有机氮分解产生的氨氮被大量去除,出水氨氮去除率变为正,氨氮量逐渐减少直至稳定。

　　第2 阶段的降温对COD 的去除效果影响较大,即从第1 阶段过渡到第2 阶段时COD 的去除率大幅度减小,而降温对氨氮去除效果的影响除了过渡期的强烈波动外,还表现在稳定期氨氮去除率较第1 阶段降低了许多。第3 阶段温度从10 ℃ 降到5 ℃ ,此次降温对活性污泥污水净化效果的影响相对较小,仅造成了小幅波动,说明该污水处理系统逐渐趋于稳定,抗干扰能力得到了增强, 但值得注意的是,稳定时期的COD 和氨氮的去除率比15 ℃ 时有所降低,说明降温确实降低了微生物的生物活性并影响了其代谢速率,最终导致活性污泥的污水净化效率有所降低。

　　由表5 可知,达到稳定时1 至2 阶段的COD 去除率都维持在97% 左右,第3 阶段维持在95% 左右;而氨氮的去除率除了在第2 阶段时只有72% 左右以外,第1 和第3 阶段都达到了86% 以上。

　　由于我国城镇污水处理厂的进水水质受地域、季节的影响变化较大,一般进水COD 指标范围在200 ~1 000 mg·L - 1 之间,氨氮在20 ~ 40 mg·L - 1 之间。而本次实验的进水COD 值在612 mg·L - 1 左右,进水氨氮值在13 mg·L - 1 左右,显然进水氨氮值偏低,这就客观上造成了氨氮的去除率较低,即使当出水氨氮仅为1. 59 mg·L - 1 时,氨氮去除率也只能达到86. 76% 。但根据我国城镇污水处理厂污染物排放标准的要求,以上测定结果都达到了城镇生活污水排放的一级A 标准 ,这说明驯化后的活性污泥确实有较好的污水净化能力,而且其在低温下处理污水的效果良好。

　　2. 4　驯化后的耐冷活性污泥与非耐冷活性污泥在低温下污水处理能力的比较

　　如下图3 为驯化后的耐冷活性泥和污水处理厂采集的普通非耐冷活性污泥在5 ℃ 条件下的COD 和氨氮随时间变化的曲线,表6 为两者稳定状态下测定结果的平均值。

表6　驯化耐冷活性污泥与非耐冷活性污泥在5 ℃下稳定状态时的实验结果平均值

　　通过对比发现,没有经过驯化的非耐冷活性污泥在5 ℃ 时的COD 和氨氮去除率均偏低,COD 去除率只能达到75% ,氨氮去除率也只有45% 左右,其出水水质勉强能够达到污水排放一级A 标准的要求。在实际应用中,气候条件复杂,进水流量较大,进水COD 和氨氮值变化不定,此时若气温骤降,则将会严重影响其污水处理的效果,要使出水水质达标就很困难了,这就是为什么我国北方及西部高寒地区每年在降温后要使出水水质达到B 类标准常常还比较困难的原因了。研究表明当水温降到4 ℃ 以下时,大部分微生物进入休眠期状态或死亡,污水处理系统硝化作用很弱,氨氮去除率变得很低[3] ,COD 去除率也只能维持在50% 左右。

　　相比之下,驯化后的耐冷活性污泥,在低温下仍具有较高的生物活性,COD 去除率可达到95% 以上,氨氮去除率也能达到86% 以上,两者都远高于污水排放一级A 标准的要求 。因此,在实际应用中驯化后的耐冷活性污泥有一定缓冲环境变化的能力,抗干扰能力较强,很适合低温污水的处理,可应用于北方或西部高寒地区的污水处理之中。

　　3　结论

　　1)成功培养、分离、筛选和驯化出了耐低温的微生物菌群,利用该菌群培养的活性污泥在低温下处理污水效果良好,在水温5 ℃ 时,出水COD 可降到30 mg·L - 1 以下,去除率在95% 以上;出水氨氮可降到2 mg·L - 1 以下,去除率可达到86% 以上。参照我国城镇污水处理厂污染物排放标准一级A 标准的要求 ,在水温5 ℃ 条件下测得数据已经达标。相比测定的非耐冷活性污泥在5 ℃ 的出水COD **去除率75. 61% 和出水氨氮**去除率45. 36% 而言,耐冷活性污泥的污水处理能力得到了很大提高,这说明该耐冷活性污泥很适合处理低温污水。若将其运用到北方或高寒地区的污水处理之中,将会大大改善这些地区冬季的污水处理效果,提高污水处理厂的出水水质,为高寒地区的水环境保护提供了新的支撑力量。

　　2)该耐冷活性污泥还具有温度适应范围广的特点,在测试温度5 ~ 15 ℃ 的范围内,其净化污水的效果良好,COD 去除率都在95% 以上,氨氮去除率也能达到80% 左右。所以该活性污泥不仅适用于高寒地区的污水处理,同样也可以应用于普通中低温地区,尤其是昼夜温差大的地区,可以起到防止气温骤降对污水处理效果的强烈冲击。

　　厌氧生物处理系统

　　厌氧生物法目前技术上还存在一些问题，主要表现在生物处理效率较低，尤其表现为氮磷去除率很低，在一定程度上限制了其应用。

　　实践证明，以上方法都能很好的解决农村生活污水治理的问题，但在运用中要考虑到建设与运行成本等费用，要根据实际情况加以选择合适的农村生活污水处理设备。

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